Decarbonizzazione, sostenibilità e uso efficiente di sistemi di conversione, accumulo e distribuzione dell’energia

Introduzione della problematica nel contesto scientifico internazionale

Una Smart Community è una comunità che utilizza diversi tipi di metodi e sensori per raccogliere dati da edifici, sistemi energetici (es. reti di distribuzione dell’energia elettrica, termica e del gas, sistemi di produzione dell’energia) sistemi produttivi, e servizi (es. trasporti, illuminazione), per gestire in modo sinergico risorse, sistemi, utenze e servizi con l'obiettivo di migliorare la qualità della vita, ridurre il consumo di risorse, le emissioni di CO2 e gli inquinanti nocivi per la salute umana (CO, NOx, PM, ecc.).

Rilevanza del problema

A causa degli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2 fissati per il 2050, l'ottimizzazione della sola gestione dei sistemi legati all'energia non è sufficiente e sono invece necessari massicci piani di investimento. Infatti, per poter raggiungere gli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2 fissati per il 2050 è richiesta l'installazione di tecnologie basate su risorse rinnovabili e sul concetto di economia circolare (es. recupero del calore di scarto dei processi industriali, riqualificazione degli edifici), l'aggiornamento delle reti di distribuzione dell'energia già esistenti ed eventualmente nuove reti di distribuzione, nonché la decarbonizzazione del settore dei trasporti. Nonostante la rilevanza del problema, è stata finora prestata pochissima attenzione a questa classe di problemi di pianificazione degli investimenti applicati alle smart community. Inoltre, la decarbonizzazione del settore energetico richiede anche una sempre maggior quota di energia prodotta da fonti rinnovabili non programmabili (quali solare ed eolico) ed è perciò necessario gestirne la non programmabilità della produzione e il soddisfacimento della richiesta attraverso sistemi di accumulo di energia, tra i quali riveste un ruolo importante l’idrogeno.

Metodo attraverso il quale il problema verrà affrontato

Nella letteratura attuale, viene utilizzata una varietà di termini per il sistema energetico al servizio di comunità intelligenti: “smart energy systems”, "sistemi multienergia", "poli energetici", "distretti energetici" e "microgrid". La loro caratteristica comune è la presenza di più tecnologie di conversione e di accumulo di energia gestite da un algoritmo di strategia di gestione integrata dell'energia. Tale algoritmo utilizza metodi di ottimizzazione numerica per determinare la migliore strategia operativa delle unità di conversione (accensione/spegnimento e carichi per ogni fascia oraria della giornata) e accumulo dell’energia, delle reti di distribuzione dell'energia e delle utenze energetiche soggette a programmi di gestione della domanda.

Obiettivi e risultati attesi

Gli obiettivi di sviluppo operativo del progetto riguardano lo studio dei sistemi per la produzione di energia da fonte rinnovabile. Poiché in tali sistemi la produzione di energia non è completamente programmabile, verranno studiati anche sistemi di accumulo (sia diurni, sia stagionali), tra i quali il Vehicle-to Grid e i sistemi Power-to-Hydrogen per l’accumulo dell’energia sotto forma di idrogeno prodotto da fonte rinnovabile (sistemi che comprendono la produzione, lo stoccaggio e le reti di trasporto dell’idrogeno, come ad esempio l’iniezione dell’idrogeno nella rete del gas naturale). Sia i sistemi energetici, sia le tecnologie per l’accumulo considerate nella ricerca saranno adatte per Smart Communities. La finalizzazione della ricerca è rappresentata dal dimensionamento ottimizzato del sistema energetico complessivo (inclusi i sistemi di accumulo e distribuzione dell’energia), accoppiato alla sua gestione ottimizzata, monitoraggio e diagnostica. Si valuteranno inoltre le problematiche legate alla sicurezza dello stoccaggio e dell’utilizzo dell’idrogeno. I risultati che si prevede di raggiungere per definire la pianificazione operativa dei sistemi energetici a servizio di utenze residenziali, terziarie e industriali sono:

1) Ottimizzazione del funzionamento del sistema integrato costituito da utilizzatori di energia (edifici, sistemi produttivi, trasporti, ecc.), reti di distribuzione dei vettori energetici (energia elettrica, termica e gas), sistemi di conversione (centrali elettriche, impianti FER, ecc.) e accumulo (termomeccanico, elettrico e sotto forma di idrogeno) dell’energia, si farà riferimento sia al caso studio aziendale, sia a sistemi energetici di carattere generale, in modo che i risultati possano essere replicati anche in altri contesti;

 2) Ottimizzazione della pianificazione degli investimenti e analisi di fattibilità economica in sistemi di conversione, accumulo e distribuzione dell’energia e in infrastrutture da realizzare nei prossimi anni.

Bibliografia
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Mahian, O., et al., Optimal sizing and performance assessment of a hybrid
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Bahlawan, H., et al., Inventory scaling, life cycle impact assessment and
design optimization of distributed energy plants, Appl. Energy, 304 (2021),
art. no. 117701.

Siram S.p.a. (holding Veolia), Via Anna Maria Mozzoni, 12- 20152 Milano

Periodo: 6

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.4.6 Innovazione per l’industria manifatturiera
articolazione 1 Industria circolare, pulita ed efficiente
articolazione 2 Industria inclusiva
articolazione 3 Industria intelligente
articolazione 5 Industria competitiva

5.5.3 Cambiamento climatico, mitigazione e adattamento
articolazione 1 Generazione di energia da FER, accumuli energetici e reti europee e intercontinentali
articolazione 2 Reti intelligenti, flessibili, integrate, resilienti e digitalizzate per una piena integrazione delle FER
articolazione 3 Decarbonizzazione dell’industria: produzione locale da FER, uso efficiente e sostenibile dell’energia e dei materiali, trasformazione dei vettori energetici
articolazione 4 La catena del valore delle comunità energetiche: verso sistemi energetici decentralizzati

5.5.4 Energetica ambientale
articolazione 1 Edifici, storage, e interazione con energy communities e smart energy grid
articolazione 5 Better data and models for optimising the building performance

5.6.1 Green technologies
articolazione 2 Strategie per una gestione multipiattaforma dell’energia elettrica da fonte rinnovabile, basata su stoccaggio e/o conversione in prodotti ad elevato valore aggiunto